高精尖创新中心邬荣领教授团队提出多倍体基因组解析新理论
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高精尖创新中心邬荣领教授团队提出多倍体基因组解析新理论

  多倍体在生物界广泛存在, 约占驯化植物的75%,一直以来对人类社会与经济、环境可持续发展起着至关重要的作用。多倍体包含多个染色体组,遵循二倍体不具备的减数分裂方式, 显示极为复杂的遗传结构。因为这些特性,长期以来,对多倍体进化机理的研究一直是世界难题。

  

  日前,北京林木分子设计育种高精尖创新中心研究人员在多倍体群体与进化遗传学几个重要领域,获得多项研究成果,部分成果在线发表在植物与遗传学TOP期刊上,填补了多倍体遗传模型解析的空白,引起国际学术界重要关注。

 

 

  第一篇发表在《The Plant Journal》(中科院植物科学分区:一区,IF:6.141)上的Technical Advance论文由青年教师姜立波主导。在该论文中,姜立波等提出了一个解析同源四倍体双减数分裂行为的计算方法。双减数分裂(double reduction),是同源多倍体所特有的现象,它通过同一染色体的两条姊妹染色单体(chromatid)互换,把相同等位基因迁移到同一个配子中。双减数分裂现象,被认为在基因漂变、配子选择等进化事件中起关键作用,但是,对它在自然群体中的估计在遗传学研究中一直是个难题,这已严重影响了同源多倍体的进化机理研究。姜立波及其团队在国际上首次攻克该难题,将该领域向前推进一步。

 

 

  第二篇论文发表在《Trends in Genetics》(中科院遗传学分区:一区,IF:11.333)上,是青年教师孙丽丹主导的。在达尔文进化论发表之后的半个多世纪内,人们一直对生物如何进化的问题感到很困惑。直至1909年英国数学家Hardy与德国医学家Weinberg,共同发现Hardy-Weinberg规律后,生物如何进化的问题才得以很好的回答。Hardy-Weinberg规律认为,自然二倍体群体在没有内外干扰的情况下随机交配一代之后,即可达到平衡,停止进化。然而, 孙丽丹等人发现这一规律不适用于多倍体。多倍体不能达到绝对的Hardy-Weinberg平衡,仅能达到渐进的Hardy-Weinberg平衡。一旦生物从二倍体成为多倍体,便进入不停息的进化阶段,成为一种进化上的“永动机”。

 

 

  姜立波与孙丽丹的这两篇工作,解决了多倍体遗传研究多年积累的关键理论与技术问题。姜立波构建的精巧算法具有高度原创性,特别能处理多倍体常见的“基因型歧义”(genotype ambiguity)问题。通过分析德国马克斯×普朗克研究所Christiane Gehnard博士提供的同源四倍体土豆GWAS数据,该模型获得土豆基因组双减数分裂的定量估计,其结果得到美国密执安州立大学David Douches博士的全同胞土豆数据的正向验证,同时得到美国USDA Paul Grabowski博士异源四倍体柳枝稷(switchgrass)数据的反向验证。正反验证显示并证实了姜立波算法的统计功效与生物学意义,从而得到国际同行的高度认可。

 

  孙丽丹等提出的“渐进Hardy-Weinberg平衡”(asymptotic Hardy-Weinberg equilibrium)概念,是多倍体基因组解析的新思路,将这一概念与生态适应性相结合,提出进化生态研究的跨学科手段,对回答多倍体与环境关系问题具有重要的理论价值。

  

  两篇论文的通讯作者均为北京林木分子设计育种高精尖创新中心首席科学家邬荣领教授,计算生物学中心研究生甘静雯等参加了上述工作。由邬荣领教授领衔的林木复杂形状遗传调控解析与计算团队是高精尖创新中心的重要科研方向之一,该团队整合跨学科知识,致力于回答单凭一个学科无法回答的复杂生物学问题,在多倍体遗传建模领域,正在形成系统而深入的、有一定规模的理论体系,逐步提升北京林业大学和林木分子设计育种高精尖创新中心在该领域的国际影响力。

 

  论文链接:

 

  论文1:

  Computational characterization of double reduction in autotetraploid natural populations

  https://doi.org/10.1111/tpj.15126

 

  论文2:

  Recursive Test of Hardy-Weinberg Equilibrium in Tetraploids

  https://authors.elsevier.com/a/1cFUYcQbIzE8B

作者:梁丹;审稿:延晓康、姜金璞      |     编辑:胡洪昊; 审核:杨金融